面向MES 的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統探究

劉玉富，張忠軍

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司型鋼煉鐵廠，山東 濟南 271104）

鋼鐵燒結生產原料供應調度是鋼鐵生產加工工序中的重要一環，如果生產原料供應不及時，將對燒結生產效率造成嚴重影響。因此，近年來，隨著我國制造加工行業自動化、智能化水平的不斷提升，MES 信息化管理系統迅速在鋼鐵制造行業得到推廣應用。該系統的實際應用，使得燒結生產原料供應調度系統的各項功能得到優化和改善，同時，也開辟了人機交互、智能操控的先河，對提高生產效率，促進鋼鐵企業健康可持續發展具有重要的現實意義。

1 鋼鐵燒結生產工藝流程概述

燒結主要是將各種粉狀含鐵原料按照一定的配合比，添加一定劑量的燒結熔劑與燃料，借助于燒結設備，使混合原料發生一系列物理、化學反應，將松散的混合料黏結成塊。目前，鐵礦粉是鋼鐵燒結過程中的主要原料，燒結燃料一般選擇含碳量高、硫化物含量低、成分相對穩定的煤粉或者焦粉，其中粒徑小于3mm 的燃料比率應達到95%以上。燒結熔劑一般選擇氧化鈣含量高、雜質少、成分相對穩定的白云石或者生石灰，其中粒徑小于3mm 的溶劑比率應達到90%以上。

在燒結生產開始之前，需要對各種原料、熔劑用水進行充分混合，并將混合料制成球體，混合流程分為一次混合與二次混合，一次混合主要是確?；旌狭暇鶆?，混合時間以50s 為宜。二次混合是為了改善燒結料層的透氣性，混合時間不得少于2.5 分鐘。由于一次混合的造球質量差，燒結料層的透氣性無法滿足生產需要，因此，在鋼鐵燒結生產中，通常采用二次混合的方法[1]。

進入燒結工序后，首先在燒結機臺車上鋪置底料與混合料，鋪置層底料選擇粒徑在10mm～25mm 之間，厚度介于20mm～25mm 之間的小塊燒結礦，這樣，能夠有效延長風機轉子的使用壽命。底料鋪設完畢，沿著臺車的縱橫方向均勻布料，并保證混合料表面平整。點火溫度控制在1250±50℃，點火時間介于40s～60s 之間，真空壓力值介于4kpa～6kpa 之間，點火深度約為10mm～20mm。在燒結生產時，應當合理控制好燒結風量，一般情況下，每噸燒結礦的需風量為3200m3，燒結料層厚度介于250mm～500mm 之間?；旌狭显跓Y爐中自上至下熔融灼燒，當燃燒至機尾時自由落下，在單輥的作用力下，燒結料被擊碎，最后，成品燒結礦進入到高爐當中。鋼鐵燒結生產工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 鋼鐵燒結生產工藝流程示意圖

2 面向MES的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統設計要點

2.1 遵循的原則

與其它軟件系統類似，在設計鋼鐵燒結生產原料供應調度系統時，首先考慮的是實用性與安全可靠性，保證原料供應調度管理井然有序，同時使燒結礦質量能夠滿足行業標準要求。其次考慮的是通用性與專用性，通用性是設計出的調度系統能夠在整個鋼鐵燒結領域得到推廣應用，專用性是避免同行業技術研發人員的重復開發與設計，做到同一系統，行業共享。最后要考慮系統的集成性與可擴展性，一旦系統出現運行故障，能夠在短時間內予以修復。

2.2 系統構造原理

該系統的運行環境只適用于鋼鐵燒結廠的生產調度指揮室內，出于多方面、多角度考慮，在設計系統時，采用C/S 結構，這樣更利于建立數學模型，以體現系統的功能價值，系統開發設計使用的程序語言為C 語言，并采用微軟開發平臺。該系統屬于MES 系統的子系統，開發設計的主要目的是為了提高燒結生產效率。內部結構模塊結構主要包括配料優化模塊、動態調度模塊、靜態調度模塊、人機交互計劃調整模塊以及生產原料供應皮帶調度模塊。

2.3 功能模塊介紹

2.3.1 配料優化模塊

配料是燒結生產的第一道工序，生產原料的配合比與燒結礦質量有著直接關聯，因此，這一模塊在所有系統模塊當中發揮著不可替代的決定性作用。配料優化模塊中建立了一個標準化的數學模型，能夠對燒結生產的各項技術參數進行準確識別、分析、計算，同時，為了保證計算精準度，這一模塊采用了兩種算法，系統可以根據現場生產的實際情況合理選擇算法，另外，為了增強系統的安全可靠性，模塊自帶數據運算結果驗算程序，這一程序可以對計算結果進行驗證，使結果的精準度更高[2]。

2.3.2 靜態調度模塊

這一模塊主要從ERP 系統中獲取各種生產技術參數，在PCS 系統中獲取實際生產數據，在配料優化模塊當中獲取燒結生產所需原料的配合比信息，然后通過數學模型與算法程序編制出調度預計劃，輸出的甘特圖能夠顯示在人機交互界面，終端操作人員可以及時了解到各種生產技術參數。

2.3.3 動態調度模塊

動態調度模塊相當于一個流動的監測站，該模塊可以對燒結生產過程中出現的干擾信息進行識別處理。尤其在燒結生產由于內因或外因而中斷時，動態調度模塊能夠快速收集造成生產過程中斷的原因，并準確判斷出干擾類型。

2.3.4 原料供應皮帶調度模塊

當靜態調度模塊編制出生產原料供應調度預計劃后，原料供應皮帶調度模塊可以根據計劃內容，結合實際生產情況，編制出執行生產流程的調度計劃，該模塊通過接收PCS 層的原料供應信息，利用啟發式算法編制出原料輸送皮帶調度計劃。當該計劃傳輸到ERP 系統后，以指令的形式迅速傳導至PCS 層，使生產原料供應調度工作能夠順利完成。

2.3.5 人機交互計劃調整模塊

這一模塊是專門為終端技術人員設計的智能化應用模式，在系統執行調度計劃時，由于生產指令臨時更改或者生產過程出現意外狀況，而影響正常的生產流程時，技術人員可以借助于該模塊對相關的生產技術參數進行調整，使調度計劃與實際生產流程相吻合。這一智能化平臺的搭建，不僅給終端技術人員提供了一個人機互動的操作平臺，同時，也為整個燒結生產流程提供了堅實的技術保障。

2.4 系統工作流程

首先，系統根據各項生產技術參數，借助于配料優化模塊計算燒結生產原料的配合比，當配合比確定后，靜態調度模塊可以結合配合比信息與通過ERP 系統輸入的計劃信息，編制出清晰的生產原料供應調度預計劃，系統自動編制的預計劃傳入到人機交互模塊后，技術人員可以對不符合生產實際的技術參數進行調整，比如原料配合比失衡，可以及時調整各種生產原料的比例，進而編制出用于實際生產的原料供應調度計劃。當計劃內容確認后，相關數據信息被傳輸至生產原料運輸皮帶調度模塊當中，系統根據計劃口令為燒結工序供應生產原料。如果在執行計劃階段受到外界因素或者人為因素干擾，導致調度指令失效時，PCS 層將第一時間將相關數據信息反饋給動態調度模塊，系統ERP 操作終端根據反饋數據，對生產調度過程進行調整和優化，以保障正常的生產進度不受影響。面向MES 的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統工作流程示意圖如圖2 所示。

2.5 調度計劃編制方法

面向MES 的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統最為顯著的一個功效是編制調度計劃功能，智能化的編制流程不僅節省了大量的人力資源成本，而且也增強了調度計劃的可行性。系統在編制調度計劃時，通常采用的方法是利用人機交互與啟發式算法相結合的方式。比如假設燒結生產原料有m 種，盛裝原料的料倉有n 個，系統根據啟發式算法構建一個清晰的數學模型，模型中涉及的各項參數如下：下標i 代表燒結配料車間中存儲生產原料料倉的編號，編號以阿拉伯數字代替。j 代表燒結生產中所需的生產原料種類，用阿拉伯數字代替。t 則代表生產原料料倉的供料序號，用阿拉伯數字代替。

圖2 面向MES 的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統工作流程示意圖

各項參數所代表的含義如下：TB時間內燒結生產所需的原料總量用Wout表示，TW 代表物料供應理想使用時間，bj 代表物料的供應速度，cij代表第i 號料倉中裝有的物料j 的使用速度；Pij代表料倉i 對物料j 的承重上限；Tj，j*代表第j 種物料和第j*種物料相鄰供料時的切換時間；xij (t) 代表被安排在第t 個開始， 裝有物料j 的i 號料倉的物料初始值，其中xij(t)、Yij(t)、Zjt，j*(t+1)屬于變量。在構建數學模型時，每一個料倉當中存儲的物類種類屬于已知量，同時，需要忽略設備計劃維修情況。根據上述設定的參數值，系統能夠快速建立生產原料供應調度計劃數學模型，通過對數學模型進行求解運算，使調度計劃更具可行性。

3 面向MES的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統的實際應用效果

以國內某鋼鐵生產企業為例，對供應調度系統在實際生產中的應用效果進行闡述，為了體現該系統的先進性與實效性，將現場人工調度方案與其進行比對分析，分析結果如下：應用供應調度系統的經濟指標是274.866 元/100kg，時間指標是135.0分鐘，綜合評定指標為0.9574?，F場人工調度方案的經濟指標測試結果為274.830 元/100kg，時間指標是120.3 分鐘，綜合而評定指標為0.9273。通過上述比對結果可以看出，無論是時間指標還是經濟指標，應用供應調度系統的測試結果都優于現場人工調度方案。因此，可以得出結論，面向MES 的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統不僅提高了鋼鐵燒結生產效率，而且也為企業創造了更多的經濟效益。

4 結束語

將基于MES 的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統引入到燒結生產流程當中，既提升了燒結生產的自動化水平，同時，也提升了企業的經濟效益。隨著鋼鐵企業生產規模的不斷擴大，燒結生產原料供應調度工作的重要性也日漸突顯，在這種形勢之下，智能化調度系統開啟了鋼鐵燒結生產的嶄新格局，對促進我國鋼鐵工業的健康長遠發展起到了推波助瀾的作用。